半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。
20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。
当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、
大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、抗辐照1×106rad；小栅宽GaNHEMT器件分别在4GHz下，功率密度达到40W/mm；在8GHz，功率密度达到30W/mm；在18GHz，功率密度达到9.1W/mm；在40GHz，功率密度达到10.5W/mm；在80.5GHz，功率密度达到2.1W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。
1宽禁带半导体材料
1.1碳化硅单晶材料
在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。
第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]：
(1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。
(2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。
(3)必须突破GaAs功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。
(4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。
随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。
SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、
欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国
的Cree公司、Bandgap公司、DowDcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司；日本的Nippon 公司、Sixon公司；芬兰的Okmetic公司；德国的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal 公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强，其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平，专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。
美国Cree公司1993年开始有6H碳化硅抛光片商品出售，过去的十几年里不断有新品种加入，晶型由6H扩展到4H；电阻率由低阻到半绝缘；尺寸由25.4～76.2mm(1～3英寸)，最近101.6mm(4英寸)抛光片已投入市场。
2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)启动与实施的宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)[11]，已成为加速改进SiC、GaN以及AIN等宽禁带半导体材料特性的重要
“催化剂”。该计划基本能够指引以SiC材料为代表的宽禁带半导体材料向大尺寸、低缺陷密度、半绝缘方向发展。
1.2氮化镓材料
GaN材料是1928年由Johason等人合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，
在大气压力下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构，它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的1/2；其化学性质稳定，常温下不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性，而在N2下最为稳定。GaN材料具有良好的电学特性[12]，宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106V/cm)、高电子迁移率(室温1000cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等，因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的最优选材料，相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，GaN 器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外，氮化镓器件可以在1~110GHz 范围的高频波段应用，这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。近年来，
以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。作为一种具有独特光电属性的半导体材料，GaN的应用可以分为两个部分：凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料[13]；凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN 光电器件和电子器件在光学存储、
激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势，其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。
国外在氮化镓体单晶材料研究方面起步较早，现在美国、日本和欧洲在氮化镓体单晶材料研究方面都取得了一定的成果，都出现了可以生产氮化镓体单晶材料的公司，其中以美国、日本的研究水平最高。
美国有很多大学、研究机构和公司都开展了氮化镓体单晶制备技术的研究，一直处于领先地位，先后有TDI、
Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生产出氮化镓单晶衬底。Kyma公司现在已经可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化镓单晶衬底，且已研制出4英寸氮化镓单晶衬底。
日本在氮化镓衬底方面研究水平也很高，其中住友电工(SEI)和日立电线(HitachiCable)已经开始批量生产氮化镓衬底，日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)等也开展了相关研究。日立电线的氮化镓衬底，直径达2英寸，衬底上位错密度都达到1×106cm-2水平。欧洲氮化镓体单晶的研究主要有波兰的Top-GaN和法国的Lumilog两家公司。TopGaN生产GaN材料采用HVPE工艺，位错密度1×107cm-2，厚度0.1～2mm，
面积大于400mm2。综上，国外的氮化镓体单晶衬底研究已经取得了很大进展，部分公司已经实现了氮化镓体单晶衬底的商品化，技术趋于成熟，下一步的发展方向是大尺寸、高完整
性、低缺陷密度、自支撑衬底材料[14]。
1.3氮化铝材料
AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接带隙，可以广泛应用于光电子领域。与砷化镓等材料相比，覆盖的光谱带宽更大，尤其适合从深紫外到蓝光方面的应用，同时Ⅲ族氮化物具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等优点，使得Ⅲ族氮化物器件相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，可以在更高频率、更高功率、更高温度和恶劣环境下工作，是最具发展前景的一类半导体材料。
AlN材料具有宽禁带(6.2eV)，高热导率(3.3W/cm·K)，且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好[12]，所以AlN是制作先进高功率发光器件(LED，
LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。
近年来，GaN基蓝、绿光LED、LD、紫外探测器以及大功率高频HEMT器件都有了很大发展[15,16]。在AlGaNHEMT器件方面，AlN与GaN材料相比有着更高的热导率，而且更容易实现半绝缘；与SiC相比，则晶格失配更小，可以大大降低器件结构中的缺陷密度，有效提高器件性能。AlN是生长Ⅲ族氮化物外延层及器件结构的理想衬底，其优点包括：与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失配；化学性质相容；晶体结构相同，不出现层错层；同样有极化表面；由于有很高的稳定性并且没有其它元素存在，很少会有因衬底造成的沾污。AlN材料能够改善器件性能，提高器件档次，是电子器件发展的源动力和基石。
目前国外在AlN单晶材料发展方面，以美国、日本的发展水平为最高。美国的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制备AlN基片技术，并实现产业化的唯一单位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或蓝宝石衬底上淀积10～30μm的电绝缘AlN层。主要用作低缺陷电绝缘衬底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已经有2、3、4、6英寸产品。日本的AlN技术研究单位主要有东京农工大学、三重大学、NGK公司、名城大学等，已经取得了一定成果，但还没有成熟的产品出现。另外俄罗斯的约菲所、瑞典的林雪平大学在HVPE法生长AlN方面也有一定的研究水平,俄罗斯NitrideCrystal公司也已经研制出直径达到15mm的PVTAlN单晶样品。在国内，AlN方面的研究较国外明显滞后，一些科研单位在AlNMOCVD外延生长方面，也有了初步的探索，但都没有明显的突破及成果。
1.4其它宽禁带半导体材料1.4.1金刚石
金刚石是碳结晶为立方晶体结构的一种材料。在这种结构中，每个碳原子以“强有力”的刚性化学键与相邻的4个碳原子相连并组成一个四面体。金刚石晶体中，碳原子半径小，因而其单位体积键能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10400kg/mm2)。另外，
金刚石材料还具有禁带宽度大(5.5eV)；热导率高，最高达120W/cm·K(-190℃)，一般可达20W/cm.K(20℃)；传声速度最高，介电常数小，介电强度高等特点[17]。金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料。依据金刚石优良的特性，应用十分广泛，除传统的用于工具材料外，还可用于微电子、光电子、声学、传感等电子器件领域。其在电子领域的典型应用[18]：
(1)在微电子方面的应用。金刚石的禁带宽度大，以及优异的电学特性，使其更适合于极恶劣的环境中应用[19]。据报道：
金刚石肖特基二极管工作温度可达到1000℃；在人工低温低压合成的多晶金刚石制作的MISFET，它的fT可以达到2.7GHz,最高振荡频率(fmax)为3.8GHz；高压合成金刚石制作的MESFET的fT可以达到2.2GHz，fmax为7GHz；日本电报电话公司(NTT)已经开发出一种工作频率为81GHz、运行速度高于其他半导体器件2倍的金刚石半导体器件，NTT正致力于研发工作频率达到200GHz，输出功率为30W/mm的金刚石器件。
可以预见，只要突破高质量、大面积、单晶膜的金刚石制备技术，金刚石半导体器件和集成
电路因其优越的性能将在Si、SiC和GaN半导体器件和集成电路难以适用的环境中得到广泛应用。
(2)在光电子方面的应用。金刚石在X射线—紫外光—可见光—红外光很宽的波长范围内都具有高透过性且能抗高温、
抗腐蚀、机械强度大，因此可用作在恶劣环境中使用的光学窗口等，如多色红外探测器窗口、红外焦平面阵列热成像装置窗口、高功率微波窗口、高功率激光窗口等；透X光特性使其可成为未来微电子器件制备的亚微米级光刻蚀技术的理想材料。
(3)其他方面的应用。金刚石具有极高的弹性模量，这决定了声波在金刚石中具有极高的传播速度，可做成SAW(声表面波)器件[20]，如表面声波滤波器，声频在其中传播速度达到17500m/s；金刚石热导率高，是半导体电子器件极为理想的大面积散热材料(又称为热沉)；金刚石薄膜可用作电化学传感器的电极，能工作在具有腐蚀性的环境中。1.4.2氧化锌
氧化锌（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的半导体材料，禁带宽度为3.37eV[21]；另外，其激子束缚能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束缚能使它在室温下稳定，不易被激发(室温下热离化能为26meV)，降低了室温下的激射阈值，提高了ZnO材料的激发效率。基于这些特点，
ZnO材料既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光电器件，还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口材料以及变阻器、压电转换器等[22]。相对于GaN，ZnO制造LED、LD更具优势，具预计，ZnO基LED和LD的亮度将是GaN 基LED和LD的10倍，而价格和能耗则只有后者的1/10。
ZnO材料以其优越的特性被广泛应用，受到各国极大关注。
日、美、韩等发达国家已投入巨资支持ZnO材料的研究与发展，掀起世界ZnO研究热潮。据报道，日本已生长出直径达2英寸的高质量ZnO单晶；我国有采用CVT法已生长出了直径32mm和直径45mm、4mm厚的ZnO单晶。材料技术的进步同时引导和推进器件技术的进步，日本研制出基于ZnO同质PN结的电致发光LED；我国也成功制备出国际首个同质ZnO －LED原型器件，实现了室温下电注入发光。器件制备技术的进步，推动ZnO半导体材料实用化进程，由于其独特的优势，在国防建设和国民经济上将有很重要的应用，前景无限[23]。2宽禁带半导体材料的主要应用
在宽禁带技术中，材料技术的研发是基础，加
强应用提高系统性能才是目的。
目前世界各国都在加强宽禁带技术的研发力度。最有代表性的是美国，2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)实施了宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)[11]，第一阶段2～4英寸材料SiC衬底材料商品化，已实施成功；第二阶段为射频应用宽禁带半导体计划，目的是利用宽禁带半导体材料制作并演示射频功率放大器，提高其功率附加效率、带宽及功率密度最终实现GaN基高可靠、高性能微波与毫米波器件的大批量生产；第三阶段，研制成功GaN基高可靠、高性能MMIC，并在若干模块中试验其应用。在此计划的实施下，推动宽禁带技术的发展。2.1
碳化硅器件与电路
2.1.1碳化硅MESFET器件
近年来，许多研究机构均在4H-SiCMESFET器件工艺改进和性能提高方面开展了大量工作，碳化硅MESFET器件性能参数取得了很大进展：击穿电压普遍在100V以上
[24]
，最大电流密度为
175～520mA/mm，跨导为20~70ms/mm，功率密度为0.85～4.4W/mm，最大振荡频率高达
40GHz。碳化硅MESFET以其优异的性能将在新一代相控阵雷达、大功率通信基站等方面得到广泛应用[25]。2.1.2MOSFET器件
MOSFET器件具有高速低功耗的特性，非常适用于大功率领域。随着外延工艺的进展及器件结构的改进，SiCMOSFET的特性有了很大提高。Baliga证明，按照以往Si器件的定义标准，6H-SiC功率MOSFET的性能比Si器件高13倍。Cree公司研制的10kV功率MOSFET，漏电流密度只有16mA/cm2，是目前国际上耐压较高的SiC器件[26]。2.1.3碳化硅SIT
SIT是用PN结或肖特基作为栅极的一种单极器件。近年来，SiCSIT除了表现出良好的功率特性外，也实现了较好的频率特性。J.P.Henning等人报道了采用多对准工艺制备的微波SiCSIT，并采用了空气桥结构的栅极来降低寄生电容。该器件的fT高达7GHz，漏极击穿电压达到130V，漏压为10V时的膝电流为150mA/mm，跨导为17ms/mm[27]。2.2氮化镓器件与电路2.2.1GaN 基HEMT器件
1993年第一只GaNHEMT问世
[28]
，成为GaN
功率器件中最为引人注目的器件，其具有优异的微波功率特性，单位毫米栅宽输出功率理论上可达到几十瓦。近年来，该器件得到飞速发展[29]，高功率GaNHEMT放大器频率为2.8GHz 时输出功率100W，58%的高效率；输出功率为40dBm和50dBm的输出波形顶部分别为0.4dB 和0.2dB。GaN基HEMT器件在千瓦级功率转换中具有高速大功率开关特性，最大开关电流为23A。2.2.2GaN基高亮度LED
GaN材料的禁带宽度Eg为3.39eV，InN的禁带宽度Eg为1.95eV。因此，只要调节固溶体Inx-Ga1-xN的混晶比x值的大小，就可以得到禁带宽度从1.95eV到3.39eV变化的连续混合晶体发光材料。1.95～3.39eV（636.6～365nm）这个范围覆盖了整个可见光光谱。利用GaN 材料的特性，能够制备GaN基蓝光LED、
白光LED等[29]，可实现红、绿、蓝三色基完备的发光体系，拓宽了发光光谱，实现全彩显示。
2.2.3GaN基光电探测器
AlGaN基光电探测器在军事和民品的通信和成像领域具有很高的价值，1992年，Khan等人第一次研制报道了GaN基的紫外探测器，从而开始了AlGaN基紫外光电探测器的研究。据报道，目前已研制出多种结构的AlGaN光电探测器，如光电导探测器，
MSM探测器，肖特基探测器，PN结光电探测器，
PIN结构光电探测器等。美国已研制出垂直结构的AlGaN/GaN多量子阱肖特基探测器，采用背入方式在325~350nm波长范围得到平直的峰值光谱响应为0.054A/W；随着P型掺杂及金属接触等关键技术的研究，
AlGaNPIN光电探测器性能有了很大提高，其工作范围逐渐从可见光盲区过渡到“太阳盲区”。
2.3氧化锌器件2.
3.1压电器件
ZnO具有优良的压电性能
[30,31]
，适合于制备体声
波(BAW)尤其是表面波(SAW)器件。陈运祥等人在激励剪切模式C轴方向倾斜取向ZnO薄膜的基础上采用垂直、倾斜交替的多层ZnO薄膜，制作出了中心频率为8GHz的BAW延迟线；日本在蓝宝石衬底上外延ZnO薄膜制作出了低损耗的1.5GHz的高频SAW滤波器。随着数字传输和移动通信信息传输量的增大，ZnO的高频特性逐渐显示其优势，因此，ZnO薄膜在高频滤波器、谐振器、光波导等领域有着广阔的发展前景。2.3.2压敏器件
ZnO因其非线性系数高、电涌吸收能力强，在电子电路等系统中被广泛用来稳定电流，抑制
电涌及消除电火花。通常采用烧结成瓷、划片所作的压敏电阻，因工艺限制压敏低压很难做到很低，采用ZnO薄膜便可做到[32]。贾锐等人用喷雾热分解法在350℃下合成了ZnO:BizO3:MnO2=99:0.5:0.5的薄膜，薄膜具有C轴取向，压敏电压为13.15V，非线性吸收α=8.09[33]。
3结语
宽禁带半导体材料作为一类新型材料，具有独
特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限，使其在更恶劣的环境下工作；能够提高器件的功率和效率，提高装备性能；能够拓宽发光光谱，实现全彩显示。随着宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，其重要性将逐渐显现，在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
宽禁带半导体材料与工艺 1.1 宽禁带半导体的概念和发展 宽禁带半导体（WBS）是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料。这类材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化镓、）AlN（氮化铝）、ZnSe（硒化锌）以及金刚石等。 第二代半导体GaAs与Si相比除了禁带宽度增大外，其电子迁移率与电子饱和速度分别是Si的6倍和2倍，因此其器件更适合高频工作。GaAs场效应管器件还具有噪声低、效率高和线性度好的特点但相比第三代半导体GaN和SiC，它的热导率和击穿电场都不高，因此它的功率特性方面的表现不足。为了满足无线通信、雷达等应用对高频率、宽禁带、高效率、大功率器件的需要从二十世纪九十年代初开始，化合物半导体电子器件的研究重心开始转向宽禁带半导体。 我们一般把禁带宽度大于2eV的半导体称为宽禁带半导体。宽禁带半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。 1.2 主要的宽禁带半导体材料 近年来，发展较好的宽禁带半导体材料主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些，碳化硅、氮化镓、硅以及砷化镓的一些参数如下图所示：
图1-1 半导体材料的重要参数 如上图所示，SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于硅和砷化镓，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于硅和砷化镓。 2.1 SiC材料 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。 SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中唯一的一种固态化合物。构成元素是Si和C，每种原子被四个异种原子所包围,形成四面体单元(图25a)。原子间通过定向的强四面体SP3键(图25b)结合在一起，并有一定程度的极化。SiC具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了
半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。 20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、 大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、抗辐照1×106rad；小栅宽GaNHEMT器件分别在4GHz下，功率密度达到40W/mm；在8GHz，功率密度达到30W/mm；在18GHz，功率密度达到9.1W/mm；在40GHz，功率密度达到10.5W/mm；在80.5GHz，功率密度达到2.1W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。 1宽禁带半导体材料 1.1碳化硅单晶材料 在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。 第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]： (1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。 (2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。 (3)必须突破GaAs功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。 (4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。 随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。 SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、 欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国
半导体材料的特性参数和要求有哪些? 半导体材料-特性参数 LED灯泡半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。 常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。 禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。 电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。 非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。 位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料-特性要求 LED灯泡半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转
?综合评述? 半导体纳米材料的光学性能及研究进展Ξ 关柏鸥 张桂兰 汤国庆 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 韩关云 (天津大学电子工程系,300072) 摘要 本文综述了近年来半导体纳米材料光学性能方面的研究进展情况,着重介绍了半导体纳米材料的光吸收、光致发光和三阶非线性光学特性。 关键词 半导体纳米材料;光学性能 The Optica l Properties and Progress of Nanosize Sem iconductor M a ter i a ls Guan B ai ou Zhang Gu ilan T ang Guoqing H an Guanyun (Institute of M odern Op tics,N ankaiU niversity,T ianjin300071) Abstract T he study of nano size sem iconducto r particles has advanced a new step in the understanding of m atter.T h is paper summ arizes the p rogress of recent study on op tical p roperties of nano size sem icon2 ducto r m aterials,especially emphasizes on the op tical2abso rp ti on,pho to lum inescence,nonlinear op tical p roperties of nano size sem iconducto r m aterials. Key words nano size sem iconducto r m aterials;op tical p roperties 1 引言 随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。 低维材料一般分为以下三种:(1)二维材料,包括薄膜、量子阱和超晶格等,在某一维度上的尺寸为纳米量级;(2)一维材料,或称量子线,线的粗细为纳米量级;(3)零维材料,或称量子点,是尺寸为纳米量级的超细微粒,又称纳米微粒。随着维数的减小,半导体材料的电子能态发生变化,其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有着显著不同。低维材料开辟了材料科学研究的新领域。本文仅就半导体纳米微粒和由纳米微粒构成的纳米固体的光学性能及其研究进展情况做概括介绍。2 半导体纳米微粒中电子的能量状态 当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子、空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。 关于半导体纳米微粒中电子能态的理论工作最早是由AL.L.Efro s和A.L.Efro s开展的[1]。他们采用有效质量近似方法(E M A),根据微粒尺寸R与体材料激子玻尔半径a B之比分为弱受限(Rμa B,a B=a e+ a h,a e,a h分别为电子和空穴的玻尔半径)、中等受限(a h 宽禁带半导体光电材料的研究及其应用 宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包 括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直 接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。 氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方 面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得 到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮 化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化 镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的 努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材 宽禁带半导体材料特性及生长技术 何耀洪, 谢重木 (信息产业部电子第46所,天津,300220) 摘要:叙述了宽带半导体材料SiC、G aN的主要特性和生产长方法,并对其发展动态和存在问题进行了简要评述。 关键词:宽禁带半导体材料;碳化硅;氮化硅 中图分类号:TN304 文章编号:1005-3077(1999)-04-0031-09 The Characteristics and Growth Methods of Wide Bandgap Semiconductor Materials HE Yaohong, XIE Chongmu (T he46th Research Institute,M.I.I.,T ianjin,300220) A bstract:The paper presents the main characteristics and g rowth methods o f wide bandgap semiconduc- tor materials,In aditio n,the lastest developments and problems o n SiC and GaN to be reviewed. Key words:w ide bandgap semiconductor materials;SiC;G aN 1 引 言 在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料,而把碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的化合物半导体材料称为第三代半导体材料,由于SiC和GaN材料的禁带宽度较Si、GaAs等材料更宽,因而它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频及大功率器件,故称这类材料为宽禁带半导体材料,也称高温半导体材料。它们在微电子和光电子领域中具有十分广阔的应用潜在优势,如AlGaN HFET最大振荡频率超过100GHz,功率密度大于5.3W/m m(在10GHz时),4H-SiC M EFET在850M Hz(CW)和10GHz(PW)时功率密度3.3W/mm,4H-SiC PIN二极管击穿电压高达5.5kV;在可见光全光固体显示、高密度存储、紫外探测及在节能照明(半导体激光光源能耗仅为相当亮度白炽灯泡的十分之一,而寿命长达10～15年)等方面开创了广阔的应用前景。 2 SiC材料特性及生长技术 近年来,随着半导体器件在航空航天、石油勘探,核能、汽车及通信等领域应用的不断扩 收稿日期:1999-11-30 半导体材料能带测试及计算 对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置. 图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样： 背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试： 用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。 山东建筑大学毕业论文开题报告表班级： 姓名： 论文题目宽禁带半导体ZnO的调研一、选题背景和意义 Zn0是一种新型的II-VI族宽禁带半导体材料，具有优异的晶格、光电、压电和介电特性，和III-V族氮化物及II-VI族硒化物比具有很多潜在的优点。首先，它是一种直接带隙宽禁带半导体，室温下的禁带宽度为，与GaN()相近，而它的激子结合能()却比GaN()高出许多，因此产生室温短波长发光的条件更加优越；而且ZnO薄膜可以在低于500℃温度下获得，不仅可以减少材料在高温西制备时产生的杂质和缺陷，同时也大大简化了制备工艺；同时ZnO来源丰富，价格低廉，又具有很高的热稳定性和化学稳定性。ZnO在UV、蓝光LED和LDS器件等研究方面被认为是最有希望取代GaN的首选材料，ZnO已经成为国内外半导体材料领域一个新的研究热点。国内外有很多科研团队都在进行ZnO的研究．虽然Zn0暂时不能完全取代si 在电子产业中的基础地位，但是ZnO以其特殊的性质成为Si电路的补充。 国内外对于ZnO的研究一直是近几年半导体材料研究的热点。无论是薄膜ZnO、纳米ZnO或是体单晶ZnO，文献很好地总结了2003年之前的国外ZnO晶体的研究与发展状况。随着高质量、大尺寸单晶ZnO 生产已经成为可能，单晶ZnO通过加工可以作为GaN衬底材料。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似。晶格失配度只有2.2%(沿〈001〉方向)、热膨胀系数差异小，可以解决目前GaN生长困难的难题。GaN作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料，在DVD播放器中有重要的应用。由于世界上能生产ZnO单晶的国家不多，主要是美国、日 本。所以ZnO单晶生产具有巨大的市场潜力。近年来，材料制备技术的突破，纳米ZnO半导体的制备、性能及其应用成为材料学的一个研究热点。 本文介绍了ZnO薄膜具有的许多优异特性，优良的压电性、气敏性、压敏性和湿敏性，且原料廉价易得。这些特点使其在表面声波器件(SAW)、太阳能电池、气敏元件等领域得到广泛的应用。随着对ZnO紫外受激发射特性的研究和P型掺杂的实现，ZnO作为光电材料在紫外探测器、LED、LD等领域也有着巨大的应用潜力。另外本文还介绍了纳米氧化锌的许多优点和在许多方面的应用。 目前，我国各类氧化锌处于供不应求的状况，而以活性氧化锌和纳米氧化锌取代传统氧化锌是不可阻挡的趋势，可见，今后纳米氧化锌必会有非常广阔的市场前景。 二、课题关键问题及难点 要深入研究该方面的知识，就要涉猎很多方面的知识。作为本科学生，如何在现有知识的基础上，阅读并理解有关书目、文献，总结归纳相关理论和研究方法，是本课题首先要解决的关键问题。 首先，要了解氧化锌作为宽禁带半导体的特性，然后再细致的查找氧化锌薄膜的诸多性质和这些性质在哪些方面的应用。同时要寻找纳米氧化锌材料与普通氧化锌材料相比有哪些优点、在发展中存在的问题和以后的研究方向。查询相关资料并阅读和理解之后，合理的安排介绍氧化锌作为宽禁带半导体材料的性质和应用。 三、文献综述 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需 氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术 张国义１，李树明２ 北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣 ‘２北大董光科技酣青曩公司 北囊１∞耵１ ｉ盲謦。 莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟 性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄． 众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业 群。其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成 功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢 ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形 式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示． 光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平标志是使通讯 速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术． 对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的 主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和 ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的 实现。事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问 题。它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开 始．在世纪之交得以确认。那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术． ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。 衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的 堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们 的性质根接近。三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。它们的禁带宽度基本符 合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合 金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙． 以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场 设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器 什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构 ?１７? 新一代宽禁带半导体材料 回顾半导体的发展历程，随着不同时期新材料的出现，半导体的应用先后出现了几次飞跃。 首先，硅材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展，日用家电和计算机的广泛应用都应该归功于硅材料的应用。 而后，砷化镓材料的研究则使半导体的应用进入光电子学领域。用砷化镓基材料及其类似的一些化合物半导体，如镓铝砷、磷镓砷、铟镓砷、磷化镓、磷化铟和磷砷化镓等，制备出的发光二极管和半导体激光器在光通信和光信息处理等领域起到不可替代的作用，由此也带来了VCD和多媒体等的飞速发展。 目前，人们又开始研究新一代的宽禁带半导体材料，其中最有意义的是碳化硅、氮化镓和氧化锌。这些材料的共同特点是它们的禁带宽度在3．3到3．5电子伏之间，是硅的3倍，比砷化镓的禁带宽度也大了两倍以上。由于它们的一些特殊性质和潜在应用前景使它们备受关注。 碳化硅具有高热导率（硅的3．3倍）、高击穿场强（硅的10倍）、高饱和电子漂移速率（硅的2．5倍）以及高键合能等优点。所以特别适合于制造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，并且可以在几百度高温的恶劣环境下工作。可用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、石油钻井、无干扰电子点火装置、喷气发动机传感器等重要领域。目前，碳化硅高频大功率器件已应用到军用雷达、卫星通讯和高清晰度电视图像的发送和传播等方面。 氮化镓和砷化镓同属III－V族半导体化合物，但氮化镓是III－V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光，其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短，这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积，从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比，它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上，而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值，同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点，但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结，氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力，1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材料的性能；1989年，Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化镓P型材料的生长并制备出PN结；1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化镓发光二极管，效率达到5％，赶上了传统的磷砷化镓发光二极管的效率，寿命超过一万小时。1997年，用氮化镓基材料制备的半导体激光器也开始面世。这一飞速发展的势头反映了氮化镓材料受重视的程度。有人估计，氮化镓器件在化合物半导体市场的份额将由1997年的2％很快上升到2006年的20％，成为光电子产业中非常重要的产品。 与氮化镓材料相比，氧化锌薄膜的紫外发光是刚刚开始的新兴课题。氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3．36eV，特别是它的激子结合能高达60毫电子伏，在目前常用的半导体材料中首屈一指，这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件；此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性质，而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。1997年日本和香港科学家合作研究得到了氧化锌薄膜的近紫外受激发光，开拓了氧化锌薄膜在发光领域的应用。由于它产生的受激发射的波长比氮化镓的发射波长更短，对提高光信息的纪录密度和存取速度更加有利，而且价格便宜。目前，除了氧化锌薄膜的发光特性外，也有人发现了氧化锌薄膜的光生伏特效应，显示出用它制备太阳能电 宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展半个世纪以来，功率半导体器件得到长足发展，极大地促进了电力电子技术的进步，而功率半导体器件的发展主要基于整个微电子领域的基石——硅材料。19世纪80年代以来，硅材料本身的物理特性对硅基功率器件性能的限制被认识得越来越清晰。 实现低导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场，也就是选择宽禁带的半导体材料。根据更符合实际应用，以及综合考虑功率器件的导通损耗、开关损耗和芯片面积等因素的估算，碳化硅、氮化镓和金刚石功率器件大大降低了损耗和器件面积，新型宽禁带半导体材料将引发功率器件的巨大进步。 同时，以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有较大的电子饱和速度，可以应用于射频器件领域。碳化硅和金刚石具有较高的热导率，适用于对需要耗散较大功率并且半导体芯片热阻是系统热阻一个重要组成部分的大功率应用领域。 基于材料的优越性能，宽禁带半导体功率器件受到广泛关注和深入研究。由于其器件性能的优势基本来源于材料本身，所以宽禁带半导体材料的研究是新型功率器件研究首先要面临的挑战。 2.碳化硅功率器件 碳化硅SiC、氮化镓GaN和金刚石是典型的宽禁带半导体材料。基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间研究，已经具有较高的成熟度和可靠性。2004年，Cree公司成功研发微管密度低于10cm-2的高质量3英寸4H-SiC材料，并投放市场。2007年，该公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料，可用于制作大尺寸的高功率器件。 目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已经批量生产4英寸碳化硅晶圆。2010年业界发布了6英寸的碳化硅晶圆。150mm的晶圆毫无疑问会降低碳化硅器件制造成本，并且为4H-SiC功率器件的发展提供坚实基础。 2.1 碳化硅功率二极管 地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体： 四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的 化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。 半导体材料 ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族 宽禁带半导体技术 李耐和 概述 根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg＜2ev （电子伏特），则称为窄禁带半导体，如锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）以及磷化铟（InP）；若禁带宽度Eg＞2.0-6.0ev，则称为宽禁带半导体，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、4H碳化硅（4H－SiC）、6H碳化硅（6H－SiC）、氮化铝（AIN）以及氮化镓铝（ALGaN）等。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带半导体技术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于SiC和GaN技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。 目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率附加效率（PAE）、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带半导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足1GHz到40GHz，而且性能优异。虽然自20世纪90年代以来的10多年时间里，SiC器件的演示结果非常喜人，但是高性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主要原因就是无法得到理想的SiC基底――不但要具有足够高电阻系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺陷（如微孔）数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过宽禁带材料的同质/异质外延生长获得制作微波与毫米波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的大尺寸晶片。 值得一提的是，在过去的3年里，SiC基底研制进展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻率都达到了大批量生产性能优异的宽禁带器件与MMIC（单片微波集成电路）的技术要求。此外，宽禁带外延结构演示结果也令人满意。例如，GaNHEMT(高电子迁移率晶体管)在2.1GHz时饱和功率输出174W，PAE高达54%，其150W输出功率(2.1GHz)的线性增益为12.9dB。 技术现状 在过去的几年里，由于美国政府以及商业部门的大力支持，宽禁带半导体技术取得迅速进展。尤其是2002年美国国防先进研究计划局（DARPA）启动与实施的宽禁带半导体技术计划（WBGSTI），已成为加速改进SiC、GaN以及AIN等宽禁带半导体材料特性的重要催化剂。 在该计划第一阶段（2002－2004年）期间，市售SiC基底直径已由2英寸增加到3英寸；同时，部分供应商正在研制4英寸SiC基底，预计2006年商品化。目前，至少一家供应商（如Cree公司）已经建立SiC器件与MMIC圆片代工厂，并出售高功率SiC器件。表1则给出利用MBE（分子束外延）以及MOCVD （金属有机化合物气相沉积）技术生长的GaN外延层性能指标。同样，在获得可再现高电子迁移率活性层以及在材料特性一致性方面也取得了令人满意的结果。 表1 WEGSTI第一阶段GaN外延生长结果 半导体材料有哪些 半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。 什么是半导体材料_常见半导体材料有哪些 半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构，所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）的结构。由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物，例如方铅矿（PbS）很早就用于无线电检波，氧化亚铜（Cu2O）用作固体整流器，闪锌矿（ZnS）是熟知的固体发光材料，碳化硅（SiC）的整流检波作用也较早被利用。 硒（Se）是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度（99.999999%～ 99.9999999%）的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种 宽禁带半导体的本征载流子浓度 列举了有代表性的宽禁带半导体本征载流子浓度的理论公式，简要叙述了温度与禁带宽度变化的关系，讨论了本征载流子浓度对电力电子器件参数特性的影响，并通过与硅材料的对比说明了宽禁带半导体的优异性能。 标签：宽禁带半导体；本征载流子；禁带宽度；电力电子器件 半导体材料的发展已历经三代，即分别以硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的第一、第二代半导体材料，和以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，也称宽禁带半导体材料。由于其具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场强度、更高的热导率、更高的电子饱和漂移速度等独特的参数特性，因而在电力电子器件、光电器件、射频微波器件、激光器和探测器等方面，显示出广阔的发展前景，已成为目前世界各国半导体研究的重点。在这其中，电力电子器件是在高电压、大电流和高温下工作的，本征载流子浓度等温度敏感参数对器件的特性有着显著的影响，而宽禁带半导体材料比硅材料在这方面有着明显的优势，了解和把握这一点，对于研究宽禁带电力电子器件的参数特性显得十分必要。 1 本征载流子浓度的理论公式 根据半导体物理学，半导体的本征载流子浓度ni由下式给出： 2 温度对禁带宽度的影响 研究表明：随着温度的上升，禁带宽度将随之减小。文献[2]、[4]给出了硅和其它半导体禁带宽度与温度之间关系的表达式： 文献[2]给出了不同半导体材料禁带宽度参数，见表2。其中Eg（0）为00K 时的禁带宽度，α、β均为温度变化系数。 3 Eg与ni对电力电子器件参数特性的影响 3.1 Eg对击穿电压的影响 在描述半导体的雪崩击穿电压VB与材料禁带宽度Eg和杂质浓度NB的关系时，文献[5]引用了S.M.Sze公式： VB=60（Eg/1.1）1.5（NB/1016）-0.75 （8） 对于p+n结，当NB=1014cm-3时，分别将Si的Eg=1.12eV、4H-SiC的Eg=3.23eV代入式（8），计算出Si的雪崩击穿电压为1900V，而4H-SiC的雪崩击穿电压可达9500V，是Si的5倍。 景德镇陶瓷学院 半导体课程设计报告 设计题目 n型半导体材料的设计与性能分析专业班级 姓名 学号 指导教师 完成时间 一﹑杂质半导体的应用背景 半导体中的杂质对电离率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，半导体中掺杂微量杂质时，杂质原子的附近的周期势场的干扰并形成附加的束缚状态，在禁带只能够产生的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。 一、N型半导体在本征半导提硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。 磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。 在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。二、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占 据晶格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3 个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1 个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3 价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。 在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流子，而电子则成为少数载流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。宽禁带半导体光电材料研究进展
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